2.1 ОПЕРАТИВНОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ОЗУ или RAM)

Оперативно-запоминающее устройство - это то устройство, без которого не обходиться ни один компьютер. Оно помогает работать компьютеру, оно служит своего рода передатчиком информации с носителей памяти процессору и наоборот. Процессор получает данные с оперативной памяти, обрабатывает их и через оперативную память передает эти данные на другие устройства.

Первые устройства ОЗУ применялись в первых электронных вычислительных машинах. Состояли они из электронных ламп, каждая из которых постоянно требовала для своей работы большое количество электрической энергии. Из-за этого они часто горели, их приходилось заменять на новые и делать это приходилось чуть ли не каждые два часа.

Оперативная память состоит из микросхем системной логики, которые, в отличии от всех других известных нам микросхем, состоят не из транзисторов, они состоят из микроконденсаторов. Емкость каждого такого конденсатора - 1 бит.

Объём хранящейся информации в ОЗУ составляет от 32 до 512 Мбайт и более. Занесение информации в память и её извлечение, производится по адресам. Каждый байт ОП имеет свой индивидуальный адрес (порядковый номер). Адрес – число, которое  идентифицирует ячейки памяти (регистры). ОП состоит из большого количества ячеек, в каждой из которых хранится определенный объем информации. ОП непосредственно связана с процессором. Возможности ПК во многом зависят от объёма ОП.

Практически на любых компьютерах можно изменять объем оперативной памяти.

Всю память с произвольным доступом (RAM) можно разделить на два типа: DRAM (динамическая RAM) и SRAM (статическая RAM).

Рис. 2.1 Классификация ОЗУ

2.1.1 ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ ДОСТУПОМ

Динамическая  память с произвольным доступом подразделяется на асинхронную и синхронную.

Асинхронная память  – первые запоминающие устройства, выполняли операции чтения и записи, получив лишь запускающий сигнал независимо от каких-либо внешних синхронизирующих сигналов.

Конструктивно память DRAM состоит из «ячеек» размером в 1 или 4 бит, в каждой из которых можно хранить определённый объём данных. Совокупность «ячеек» такой памяти образуют условный «прямоугольник»  состоящий из определённого количества строк и столбцов. Один такой «прямоугольник» называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Весь набор «ячеек» условно делится на несколько областей.

Элементы памяти типа DRAM конструктивно выполняют либо в виде отдельных микросхем в корпусах типа DIP, либо в виде модулей памяти типа: SIP (Single In-Line Package), SIMM (Single In-line Memory Module), DIMM (Dual In-line Memory Module), RIMM (Rambus In-line Memory Module). Микросхемы в корпусах типа DIP выпускались до использования модулей памяти. Эти микросхемы имеют два ряда контактов, расположенных вдоль длинных сторон чипа и загнутых вниз.

FPM DRAM (англ. fast page mode DRAM)

Быстрая страничная память появилась в 1995 году. Принципиально новых изменений память не претерпела, а увеличение скорости работы достигалось путём повышенной нагрузки на аппаратную часть памяти. Данный тип памяти в основном применялся для компьютеров с процессорами Intel 80486 или аналогичных процессоров других фирм. Память могла работать на частотах 25 МГц и 33 МГц с временем полного доступа 70 нс и 60 нс и с временем рабочего цикла 40 нс и 35 нс соответственно.

EDO DRAM (англ. extended data out DRAM)

C появлением процессоров Intel Pentium II память FPM DRAM оказалась совершенно неэффективной. Поэтому следующим шагом стала память с усовершенствованным выходом. Эта память появилась на рынке в 1996 году и стала активно использоваться на компьютерах с процессорами Intel Pentium и выше. Её рабочая частота была 40 МГц и 50 МГц, соответственно, время полного доступа — 60 нс и 50 нс, а время рабочего цикла — 25 нс и 20 нс. Эта память содержит регистр-защелку (англ. data latch) выходных данных, что обеспечивает некоторую конвейеризацию работы для повышения производительности при чтении.

SDRAM (англ. synchronous DRAM)

В связи с выпуском новых процессоров и постепенным увеличением частоты системной шины, стабильность работы памяти типа EDO DRAM стала заметно падать. Ей на смену пришла синхронная память. Новыми особенностями этого типа памяти являлись использование тактового генератора для синхронизации всех сигналов и использование конвейерной обработки информации. Также память надёжно работала на более высоких частотах системной шины (100 МГц и выше). Недостатками данного типа памяти являлась его высокая цена, а также его несовместимость со многими чипсетами и материнскими платами в силу своих новых конструктивных особенностей. Рабочие частоты этого типа памяти могли равняться 66 МГц, 100 МГц или 133 МГц, время полного доступа — 40 нс и 30 нс, а время рабочего цикла — 10 нс и 7.5 нс.

BEDO DRAM (англ. burst extended data output DRAM)

Пакетная память EDO RAM стала дешёвой альтернативой памяти типа SDRAM. BEDO DRAM основана на памяти EDO DRAM, её ключевой особенностью являлась технология поблочного чтения данных (блок данных читался за один такт), что сделало её работу быстрее, чем у памяти типа SDRAM. Однако невозможность работать на частоте системной шины более 66 МГц не позволила данному типу памяти стать популярным.

Video RAM

Специальный тип оперативной памяти Video RAM (VRAM) был разработан на основе памяти типа SDRAM для использования в видеоплатах. Он позволял обеспечить непрерывный поток данных в процессе обновления изображения, что было необходимо для реализации изображений высокого качества. На основе памяти типа VRAM, появилась спецификация памяти типа Windows RAM (WRAM), иногда её ошибочно связывают с операционными системами семейства Windows. Её производительность стала на 25% выше, чем у оригинальной памяти типа SDRAM, благодаря некоторым техническим изменениям.

Enhanced SDRAM (ESDRAM)

ESDRAM - это по существу SDRAM плюс немного SRAM. При малой задержке и пакетной работе достигается частота до 200 МГц.

DDR SDRAM (SDRAM II)

DDR SDRAM (Double Date Rate SDRAM) является синхронной памятью, реализующей удвоенную скорость передачи данных по сравнению с обычной SDRAM. DDR SDRAM не имеет полной совместимости с SDRAM, хотя использует метод управления, как у SDRAM, и стандартный 168-контактный разъем DIMM

У всех предыдущих DRAM были разделены линии адреса, данных и управления, которые накладывают ограничения на скорость работы устройств. Для преодоления этого ограничения в некоторых технологических решениях все сигналы стали выполняться на одной шине. Двумя из таких решений являются технологии SLDRAM и RDRAM.

SLDRAM

Как и SDRAM II, эта спецификация использует обе границы тактового сигнала и имеет в себе SRAM. Однако благодаря протоколу SynchLink Interface эта память способна работать на частоте до 400 МГц.

RDRAM (Rambus DRAM)

Direct Rambus DRAM - это высокоскоростная динамическая память с произвольным доступом, разработанная Rambus Inc. Она обеспечивает высокую пропускную способность по сравнению с большинством других DRAM. Direct Rambus DRAMs представляет интегрированную на системном уровне технологию.

Частота работы памяти равна 400 МГц, но за счет использования обеих границ сигнала достигается частота, эквивалентная 800 МГц.

DDR2 SDRAM

Конструктивно новый тип оперативной памяти DDR2 SDRAM был выпущен в 2004 году. Основываясь на технологии DDR SDRAM, этот тип памяти за счёт технических изменений показывает более высокое быстродействие и предназначен для использования на современных компьютерах. Память может работать на частотах в 200 МГц, 266 МГц, 333 МГц и 400 МГц. Время полного доступа — 25 нс, 11.25 нс, 9 нс, 7.5 нс. Время рабочего цикла — 5 нс, 3.75 нс, 3 нс, 3.5 нс.

2.1.2 СТАТИСТИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ ДОСТУПОМ

SRAM - статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM - Static Random Access Memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние сигнала без постоянной перезаписи, необходимой в динамической памяти (DRAM). Произвольный доступ (RAM — random access memory) — возможность выбирать для записи/чтения любой из битов (чаще байтов, зависит от особенностей конструкции), в отличие от памяти с последовательным доступом (SAM — sequental access memory).

Типичная ячейка статической памяти на КМОП-технологии состоит из двух перекрёстно включенных инверторов и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке. Часто для увеличения плотности упаковки элементов на кристалле в качестве нагрузки применяют поликремниевые резисторы. Недостатком такого решения является рост статического энергопотребления.

CMOS  RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)

CMOS – это всего лишь статистическая оперативная память небольшого объема с низким энергопотреблением. Первые CMOS-микросхемы имели объем в 64 байта, у следующего поколения объем возрос вдвое – до 128 байт. Современные модели имеют 512 байт памяти и более, которая используется для хранения настроечных параметров компьютера и дополнительных конфигураций данных ESCD(Extended System Configuration Data), используемых для работы системы PnP. Питается эта память от небольшого аккумулятора, встроенного в материнскую плату.

Кэш-память

Для достаточно быстрых компьютеров (например, на основе Intel-80386 с тактовой частотой более 25 МГц или Intel-80486) необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. «сверхоперативной» памятью относительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 Кбайт), в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается «между» микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

2.2 ПОСТОЯННОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ПЗУ или ROM)

ПЗУ - быстрая, энергонезависимая память, которая, предназначенная только для чтения. Информация заносится в нее один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере.

В ПЗУ находятся:

-         тестовые программы, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;

-         программы для управления основными периферийными устройствами -дисководом, монитором, клавиатурой;

-         информация о том, где на диске расположена операционная система.

Типы ПЗУ:

1.    ПЗУ с масочным программированием это память, в которую информация записана раз и навсегда в процессе изготовления полупроводниковых интегральных схем. Постоянные запоминающие устройства применяются только в тех случаях, когда речь идет о массовом производстве, т.к. изготовление масок для интегральных схем частного применения обходится весьма недешево.

2.     ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство).

Программирование ПЗУ – это однократно выполняемая операция, т.е. информация, когда-то записанная в ППЗУ, впоследствии изменена быть не может.

3.    СППЗУ (стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство). При работе с ним, пользователь может запрограммировать его, а затем стереть записанную информацию.

4.    ЭИПЗУ (электрически изменяемое постоянное запоминающее устройство). Его программирование и изменение осуществляются с помощью электрических средств. В отличии от СППЗУ для стирания информации, хранимой в ЭИПЗУ, не требуется специальных внешних устройств.

3. ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ

Внешняя память предназначена для долговременного хранения информации независимо от того, работает ЭВМ или нет. Характеризуется она более низким быстродействием, но позволяет хранить существенно больший объем информации по сравнению с оперативной памятью. Во внешнюю память записывают информацию, которая не меняется в процессе решения задачи, программы, результата решения и т.д. Внешнее запоминающее устройство - (относительно) медленное запоминающее устройство большой емкости. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер.

Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных монтажных отсеках (drive bays), что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями.

Накопители информации представляют собой гамму запоминающих устройств с различным принципом действия физическими и технически эксплуатационными характеристиками. Основным свойством и назначением накопителей информации является хранение и воспроизведение информации. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. В связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые (магнитные, оптические, магнитооптические), ленточные, перфорационные и другие устройства.

3.1 ДИСКОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Дисковые устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую

Дисковые устройства как накопители информации принято делить в связи с их техническими свойствами и характером исполнения, а также принципами записи:

1. магнитные дисковые накопители

2. оптические дисковые накопители

3. магнитооптические дисковые накопители

В настоящее время, гибкие дисковые накопители уже не используются. Но все еще широко используются жесткие дисковые накопители.

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД - винчестер)

 Накопитель на жёстких магнитных дисках, НЖМД, жёсткий диск, хард, харддиск, HDD, HMDD или винчестер, (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD) — энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.

Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых НЖМД используется одна пластина, в других — несколько на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

История прогресса накопителей

1956 — жесткий диск IBM 350 в составе первого серийного компьютера IBM 305 RAMAC. Накопитель занимал ящик размером с большой холодильник, а общий объем памяти 50 вращавшихся в нем покрытых чистым железом тонких дисков диаметром с большую пиццу (610 мм) составлял около 4,4 мегабайт (5 миллионов 6-битных байт)

1980 — первый 5,25-дюймовый Winchester, Shugart ST-506, 5 Мб

1986 — Стандарт SCSI

1991 — Максимальная ёмкость 100 Мб

1995 — Максимальная ёмкость 2 Гб

1997 — Максимальная ёмкость 10 Гб

1998 — Стандарты UDMA/33 и ATAPI

1999 — IBM выпускает Microdrive ёмкостью 170 и 340 Мб

2002 — Взят барьер адресного пространства выше 137 Гб (проблема 48-bit LBA)

2003 — Появление SATA

2005 — Максимальная ёмкость 500 Гб

2005 — Стандарт Serial ATA 3G

2005 — Появление SAS (Serial Attached SCSI)

2006 — Применение перпендикулярного метода записи в коммерческих накопителях

2006 — Появление первых «гибридных» жёстких дисков, содержащих блок флэш-памяти

2007 — Hitachi представляет первый коммерческий накопитель ёмкостью 1 Тб

2008 — Seagate Technology LLC представляет накопитель емкостью 1,5 Тб

CD

CD-R (Compact Disc-Recordable, Записываемый Компакт-Диск) — разновидность компакт-диска (CD), разработанная компаниями Philips и Sony для однократной записи информации. CD-R поддерживает все возможности стандарта «Red Book» и плюс к этому позволяет записать данные. Обычные CD-R диски обладают объемом памяти 700Мб. На такой диск можно записть информацию только один раз. Так же существуют CD-RW диски. От  CD-R они отличаются тем, что они являются перезаписываемыми, информацию можно записывать несколько раз. Объем памяти у них тот же, что и у CD-R.

DVD

Самое основное отличие от CD - это, естественно, объем записываемой информации. На один DVD-диск влезет от 4,7 до 17 Гб.

В DVD используется лазер с меньшей длиной волны, что позволило существенно увеличить плотность записи, а кроме того, DVD подразумевает возможность двухслойной записи информации, то есть на поверхности компакта находится один слой, поверх которого наносится еще один, полупрозрачный, и первый считывается сквозь второй параллельно. В самих носителях тоже отличий больше, чем кажется на первый взгляд.